1、ZigBee技術及其應用（福建金錢貓電子科技有限公司） 【簡介】ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統一稱為ZigBee技術。 【ZigBee技術的特點 】自從馬可尼發明無線電以來，無線通信技術一直向著不斷提高數據速率和傳輸距離的方向發展。例

2、如：廣域網范圍內的第三代移動通信網絡（3G）目的在于提供多媒體無線服務，局域網范圍內的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數據速率。而當前得到廣泛研究的ZigBee技術則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。這種無線通信技術具有如下特點： 功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式。設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。由于工作時間較短、收

3、發信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節點非常省電，ZigBee節點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應用場合，ZigBee技術在協議上對電池使用也作了優化。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時間和總時間（工作時間+休眠時間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。 數據傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回

4、復，若沒有得到確認信息的回復就表示發生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性。同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和休眠狀態激活的時延都非常短。 網絡容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作

5、，分別為：個域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。一個ZigBee的網絡最多包括有255個ZigBee網路節點，其中一個是主控（Master）設備，其余則是從屬（Slave）設備。若是通過網絡協調器（Network Coordinator），整個網絡最多可以支持超過64000個ZigBee網路節點，再加上各個Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網絡節點的數目將十分可觀。 兼容性：ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器（Coordinator）自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA

6、-CA）方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。 安全性：Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。 【ZigBee協議框架 】Zigbee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無

7、線標準研制開發的組網、安全和應用軟件方面的技術標準。與其他無線標準如802.11或802.16不同，Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數據流量。ZigBee V1.0版本的網絡標準連同燈光控制設備描述已于2004年底推出，其它應用領域及相關設備的描述也會在隨后的時間里陸續發布。如圖1所示。 圖1ZigBee協議框架在標準規范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準，兩者的角色分工就如同IEEE 802.11小組與Wi-Fi之關系。在IEEE 802.15.4方面，2000年

8、12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC與PHY（物理層）規范，在2003年5月通過802.15.4標準，802.15.4任務小組目前在著手制訂802.15.4b標準，此標準主要是加強802.15.4標準，包括：解決標準有爭議的地方、降低復雜度、提高適應性并考慮新頻段的分配等。ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。802.15.4僅僅定義了實體層和介質訪問層，并不足以保證不同的設備之間可以對話，于是便有了ZigBee聯盟。 ZigBee兼容的產品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其頻段是免費開放的，分別為2.4

9、GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。采用ZigBee技術的產品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16個信道）、在915MHz提供40kbit/s（10個信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1個信道）的傳輸速率。傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環境，介于10m到100m之間，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是開放頻段，已有多種無線通訊技術使用。因此為避免被干擾，各個頻段均采用直接序列擴頻技術。同時，PHY的直接序列擴頻技術允許設備無需閉環同步。 在這3個不同頻段，都采用相位調制技術，2.4GHz采用較高階的QPSK調制技術以達到250kb

10、it/s的速率，并降低工作時間，以減少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，則采用BPSK的調制技術。相比較2.4GHz頻段，900MHz頻段為低頻頻段，無線傳播的損失較少，傳輸距離較長，其次此頻段過去主要是室內無繩電話使用的頻段，現在因室內無繩電話轉到2.4GHz，干擾反而比較少。 在MAC層上，主要沿用WLAN中802.11系列標準的CSMA/CA方式，以提高系統兼容性，所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數據傳輸，若信道無數據傳輸，則開始進行數據傳輸，若產生碰撞，則稍后一段時間重傳。 在網絡層方面，ZigBee聯盟制訂可以采用星形和網狀拓撲，也

11、允許兩者的組合，稱為叢集樹狀。根據節點的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡單且存儲體容量較小。FFD的節點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。 ZigBee協議套件緊湊且簡單，具體實現的硬件需求很低，8位微處理器即可滿足要求，全功能協議軟件需要32K字節的ROM，最小功能協議軟件需求大約4K字節的ROM。 圖2ZigBee無線網絡的拓撲結構基于ZigBe

12、e技術的應用隨著ZigBee規范的進一步完善，許多公司均在著手開發基于ZigBee的產品。采用ZigBee技術的無線網絡應用領域有家庭自動化、家庭安全、工業與環境控制與醫療護理、檢測環境、監測、監察保鮮食品的運輸過程及保質情況等等。其典型應用領域如下： 【數字家庭領域 】可以應用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門禁系統、空調系統和其它家電產品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關處，直接通過遙控便可開燈。當你打開電視機時，燈光會自動減弱；當電話鈴響起時或你拿起話機準備打電話時，

13、電視機會自動靜音。通過ZigBee終端設備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設備，或是通過遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活自動化、網絡化與智能化。韓國第三大移動手持設備制造商Curitel Communications公司已經開始研制世界上第一款Zigbee手機，該手機將可通過無線的方式將家中或是辦公室內的個人電腦、家用設備和電動開關連接起來。這種手機融入了“Zigbee”技術，能夠使手機用戶在短距離內操縱電動開關和控制其他電子設備。 【工業領域】 通過ZigBee網絡自動收集各種信息，并將信息回饋到系統進行數據處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如火警的感測和通知

14、，照明系統之感測，生產機臺之流程控制等，都可由ZigBee網絡提供相關信息，以達到工業與環境控制的目的。韓國的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平臺上成功研發出基于ZigBee技術的自動抄表系統。該系統無需手動讀取電表、天然氣表及水表，從而為公用事業企業節省數百萬美元，此項技術正在進行前期測試，很快將在美國市場上推出。 【智能交通】 如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量ZigBee終端設備，你就不再擔心會迷路。安裝在汽車里的器件將告訴你，你當前所處位置，正向何處去。全球定位系統（GPS）也能提供類似服務，但是這種新的分布式系統能夠向你提供更精確更具體的信息。即使